As baterias de íon de lítio realmente não “geram” energia da maneira que a maioria das pessoas pensa. O que eles fazem é armazenar energia elétrica por meio de reações eletroquímicas reversíveis e depois liberá-la quando o circuito externo exigir corrente. A confusão sobre isso surge muito em reuniões de design, especialmente quando alguém está tentando dimensionar uma bateria pela primeira vez.
Duas coisas acontecem durante a alta. Primeiro, os íons de lítio migram do eletrodo negativo (ânodo) através do eletrólito e do separador para o eletrodo positivo (cátodo). Segundo, os elétrons fluem através do circuito externo do ânodo para o cátodo, realizando um trabalho útil. Durante o carregamento, você inverte o processo aplicando uma voltagem externa que força os íons e os elétrons a se moverem na direção oposta.
A voltagem que uma célula produz depende inteiramente dos materiais do eletrodo escolhidos e de seus respectivos potenciais eletroquímicos. Uma célula nova na prateleira sem carga mostrará sua-tensão de circuito aberto-normalmente em torno de 3,6 a 3,7V para a maioria dos produtos químicos de íon de lítio, embora esse número mude dependendo do estado da carga e da temperatura. Depois de conectar uma carga e começar a consumir corrente, a tensão cai devido à resistência interna. A quantidade que cai diz muito sobre a saúde da célula.
Fundamentos de Química Celular
Todas as células de íon de lítio compartilham o mesmo princípio operacional básico, mas os produtos químicos variam amplamente. O material do cátodo determina em grande parte as características de desempenho da célula-densidade de energia, capacidade de energia, ciclo de vida, estabilidade térmica e custo.
Os cátodos de óxido em camadas foram a primeira química comercial. A Sony os apresentou em 1991 com o LiCoO₂ (óxido de lítio-cobalto), que ainda é usado em eletrônicos de consumo, onde a densidade de energia é mais importante do que o custo ou as margens de segurança. Essas células embalam cerca de 150-200 Wh/kg no nível da célula. Porém, o cobalto é caro e a química fica instável acima de 150 graus. Vimos a fuga térmica começar em temperaturas tão baixas quanto 130 graus em células abusadas.
A busca por melhor segurança e menor custo levou ao LiMn₂O₄ (óxido de lítio-manganês) em meados da-década de 1990. O manganês é muito barato e a estrutura do espinélio é inerentemente mais estável. Essas células não fugirão até que você passe dos 250 graus normalmente. A compensação? A densidade de energia cai para 100-120 Wh/kg, e o manganês se dissolve no eletrólito ao longo do tempo, especialmente em temperaturas elevadas. A vida útil do ciclo é prejudicada – você espera talvez de 300 a 700 ciclos antes que a capacidade caia abaixo de 80%.
LiFePO₄ (fosfato de ferro-lítio) apareceu por volta de 2001 e mudou a conversa sobre segurança. A estrutura da olivina é-sólida termicamente; a fuga térmica não ocorre até acima de 270 graus e, mesmo assim, é menos violenta. A vida útil do ciclo é excelente - 2,000+ ciclos até 80% da capacidade são padrão e algumas células foram testadas após 5.000 ciclos. A desvantagem é a tensão: apenas 3,2 V nominal e a densidade de energia é limitada a 90-120 Wh/kg. Além disso, a situação das patentes de fosfato foi complicada durante anos.
NMC (óxido de lítio-níquel-manganês-cobalto) e NCA (óxido de lítio-níquel-cobalto-alumínio) surgiram como produtos químicos "equilibrados". Ao misturar níquel, manganês e cobalto em várias proporções,-as mais comuns são NMC 111, 532, 622 e 811, onde os números indicam o conteúdo relativo de metal-você pode ajustar o desempenho. O maior teor de níquel aumenta a densidade de energia para 200-250 Wh/kg, mas ao custo da estabilidade térmica e do ciclo de vida. As células NMC 811 podem atingir 250 Wh/kg, mas precisam de um gerenciamento térmico muito mais cuidadoso.
Do lado do ânodo, o grafite tem sido o padrão desde o primeiro dia. A capacidade teórica é de 372 mAh/g, e as células comerciais normalmente atingem 340-360 mAh/g. O lítio intercala-se entre as camadas de grafeno durante o carregamento, expandindo o volume de grafite em cerca de 10%. Esse estresse mecânico contribui para o enfraquecimento da capacidade durante o ciclismo.
Os ânodos de silício têm sido “a próxima grande novidade” há cerca de quinze anos. A capacidade teórica do silício é de 4.200 mAh/g-mais que dez vezes o grafite. O problema é que o silício se expande 300% quando absorve lítio. Isso quebra o ânodo após alguns ciclos. As abordagens atuais usam misturas de silício{8}}grafite com conteúdo de silício normalmente abaixo de 10% para manter a expansão gerenciável. Mesmo assim, a perda de capacidade irreversível do primeiro-ciclo ocorre em 15-25% em ânodos contendo silício versus 5-10% para grafite puro.
Construção e formatos de células
Células cilíndricas são provavelmente o que a maioria das pessoas imagina quando pensa em “bateria”. O formato 18650 (18 mm de diâmetro e 65 mm de comprimento) tornou-se onipresente depois que os fabricantes de laptops o padronizaram no início dos anos 2000. Tesla usou milhares deles no Roadster original. A capacidade típica do 18650 funciona de 2.000 a 3.500 mAh, dependendo da química e se você otimiza energia ou potência.
O formato 21700 mais recente (21 mm × 70 mm) desenvolvido em conjunto pela Tesla e pela Panasonic oferece cerca de 50% mais energia por célula – 4.000-5.000 mAh é comum agora. O diâmetro maior aumenta a proporção de material ativo para componentes inativos (coletores de corrente, lata, dispositivos de segurança), melhorando a densidade de energia no nível da embalagem. As linhas de fabricação tiveram que ser reformuladas, e é por isso que a adoção demorou um pouco.
As células prismáticas surgiram do desejo da indústria automotiva de melhor aproveitamento do espaço. Em vez de encher uma caixa com cilindros e deixar todo aquele espaço vazio, você faz células retangulares que se empilham de forma eficiente. As células prismáticas-de grau automotivo variam de 20Ah a mais de 100Ah de capacidade. Eles são mais fáceis de gerenciar-termicamente do ponto de vista da embalagem, já que você pode colocar placas de resfriamento diretamente nas laterais planas. A desvantagem é que você tem todos os ovos em menos cestas-se uma célula prismática grande falhar, você perde mais capacidade do que se uma célula cilíndrica pequena falhar.
As células-bolsa levam a ideia de eficiência de espaço ainda mais longe, eliminando totalmente a lata de metal. A célula é selada em uma bolsa laminada-de alumínio flexível. Isso economiza talvez 10{4}}15% de peso em comparação com uma lata prismática, e o formato é extremamente flexível – você pode fabricá-las em qualquer tamanho ou formato que a aplicação exigir. Os fabricantes de veículos elétricos gostam deles porque você pode empilhá-los diretamente nas placas de resfriamento. A fraqueza é mecânica: eles precisam de compressão externa para evitar a delaminação do eletrodo durante o ciclo e são mais vulneráveis a danos por perfuração.
Tecnologia Separadora
O separador não recebe muita atenção, mas é sem dúvida o componente de segurança mais crítico. É uma membrana porosa fina (normalmente 16-25 μm) que evita que o ânodo e o cátodo se toquem enquanto permite a passagem de íons de lítio. Os primeiros separadores eram polietileno (PE) ou polipropileno (PP) de camada única.
Separadores modernos de alto-desempenho usam estruturas de três camadas, geralmente PP/PE/PP. A camada de PE tem um ponto de fusão mais baixo (135 graus) do que o PP (165 graus). Se a célula começar a superaquecer, o PE derrete e preenche os poros, interrompendo o transporte iônico antes que a temperatura atinja níveis perigosos. Isso é chamado de desligamento térmico e é sua última linha de defesa antes da fuga térmica.
Separadores com revestimento-de cerâmica acrescentam outra margem de segurança. Um revestimento fino (2-4 μm) de alumina ou outras partículas cerâmicas em um ou ambos os lados do separador mantém a integridade estrutural mesmo se o polímero derreter. O revestimento é poroso o suficiente para que o transporte iônico continue, mas evita que o eletrodo entre em curto-circuito mesmo em temperaturas acima de 150 graus. A desvantagem é que os separadores revestidos de -cerâmica- custam 2 a 3 vezes o preço dos separadores padrão e têm uma impedância um pouco maior.
A porosidade normalmente atinge 40-50%. Muito baixo e a resistência iônica aumenta, limitando a capacidade de energia. Muito alto e a resistência mecânica é prejudicada. A distribuição do tamanho dos poros também é importante; o número de Gurley (teste de permeabilidade ao ar) é uma especificação padrão. A maioria dos separadores de grau EV tem como alvo 200-400 segundos/100 cc.
Composição eletrolítica e aditivos
O eletrólito em uma célula de íon de lítio é mais complexo do que você imagina. A formulação base é normalmente um sal de lítio-LiPF₆ (hexafluorofosfato de lítio) em mais de 95% das células-dissolvido em uma mistura de carbonatos orgânicos. Os solventes comuns incluem carbonato de etileno (EC), carbonato de dimetila (DMC), carbonato de dietila (DEC) e carbonato de etilmetila (EMC).
A concentração de LiPF₆ é geralmente em torno de 1,0 a 1,2 M (molar). Uma concentração mais alta melhora a condutividade iônica até certo ponto, mas além de 1,3 M ou mais, você começa a obter precipitação de sal em baixas temperaturas. LiPF₆ tem problemas-é sensível à umidade-e começa a se decompor acima de 60 graus -mas alternativas como LiBOB ou LiFSI ainda não o substituíram devido ao custo ou outras compensações.
A mistura de solventes de carbonato é ajustada para a aplicação. EC tem alta constante dielétrica e boas propriedades-de formação de SEI, mas congela a 36 graus. Você precisa misturá-lo com carbonatos de{4}}viscosidade mais baixa, como DMC ou EMC, para manter o desempenho em-baixas temperaturas. Uma formulação típica pode ser EC:DMC 1:1 em volume ou EC:EMC 3:7. As proporções exatas são proprietárias e bem guardadas.
Os aditivos são onde a verdadeira magia da química acontece. Os eletrólitos modernos contêm 2-5% em peso de vários aditivos que modificam a formação de SEI, evitam sobrecarga, suprimem a geração de gás ou melhoram a estabilidade-de altas temperaturas. O carbonato de vinileno (VC) a 1-2% é quase universal para melhorar a qualidade SEI em ânodos de grafite. O carbonato de fluoroetileno (FEC) funciona melhor para ânodos contendo silício. Esses compostos reduzem preferencialmente durante os ciclos iniciais de carga, formando uma camada protetora no ânodo que é ionicamente condutora, mas eletronicamente isolante.
Aditivos de proteção contra sobrecarga, como bifenil ou ciclohexilbenzeno, começam a polimerizar em torno de 4,5 V, criando um shunt interno que evita que a tensão suba ainda mais. Isto lhe dá alguma proteção caso o BMS falhe, embora depender dele obviamente não seja uma prática recomendada de projeto.
Formação de interface de eletrólito sólido
O SEI é provavelmente o aspecto menos compreendido, mas o mais importante, da operação da bateria de íon de lítio. Durante os primeiros ciclos de carga, os componentes do eletrólito reagem com a superfície do ânodo, formando uma camada de passivação. Esta camada é crítica: deve ser ionicamente condutora (para permitir a passagem dos íons de lítio), mas isolante eletronicamente (para evitar maior decomposição do eletrólito). A composição do SEI é uma bagunça-dezenas de sais de lítio, compostos orgânicos e polímeros, todos misturados em uma camada de 10 a 100 nm de espessura.
Uma boa formação de SEI é a diferença entre uma célula que dá um ciclo de 500 vezes e outra que dá um ciclo de 3.000 vezes. O problema é que o SEI não é estático. Ele racha durante mudanças de volume no ânodo, expondo uma superfície nova que consome mais eletrólito e lítio para reparar os danos. É por isso que a capacidade diminui durante o ciclo, mesmo quando você é gentil com a célula.
O ciclo de formação é uma etapa crítica da fabricação. As células passam por um ou mais ciclos de carga{1}}descarga lenta em temperaturas controladas para estabelecer o SEI inicial. Os protocolos de formação são proprietários, mas as taxas típicas de cobrança do primeiro{3}ciclo são de C/20 a C/10, e o processo pode levar de 24 a 48 horas. Os fabricantes otimizam os limites de tensão de formação, temperatura, períodos de descanso e padrões de ciclagem para produzir o SEI mais estável possível. Fazer isso errado custa seu ciclo de vida.
O envelhecimento do calendário-a perda de capacidade mesmo quando a célula está parada-também é em grande parte um fenômeno SEI. O SEI continua crescendo lentamente em circuito aberto, consumindo lítio ciclável. O armazenamento em alto estado de carga e alta temperatura acelera isso. Uma célula armazenada com 100% SOC e 60 graus pode perder 20% da capacidade em um ano, enquanto a mesma célula com 50% SOC e 25 graus pode perder 3%.
Protocolos de carregamento e gerenciamento de bateria
As células de íon de lítio são sensíveis a sobrecarga,{0}descarga excessiva e carregamento em temperaturas inadequadas. É por isso que toda bateria multi-celular precisa de um BMS (sistema de gerenciamento de bateria).
O método de carregamento padrão é corrente/tensão constante (CC-CV). Durante a fase CC, você envia corrente para dentro da célula a uma taxa fixa-normalmente de 0,5C a 1C para a maioria das células, embora algumas células-de alta potência possam suportar 3C ou mais. A tensão aumenta à medida que a célula é carregada. Quando a tensão atinge o limite superior (4,2 V para a maioria dos produtos químicos, 3,65 V para LFP, 4,3 V ou 4,35 V para algumas variantes de NMC de alta-energia), você alterna para o modo CV. A corrente diminui à medida que a célula se aproxima da carga total, normalmente cortando quando a corrente cai abaixo de C/20 ou C/50.
O carregamento rápido é mais complicado. Taxas de carga mais altas aceleram o revestimento de lítio no ânodo, o que é perigoso-o lítio metálico é altamente reativo e pode causar curtos-circuitos internos ou formação de dendritos que penetram no separador. Para carregar-rápido com segurança, você precisa entender como a tensão, a corrente e a temperatura interagem com as condições de início do revestimento de lítio.
O problema é que não é possível medir o revestimento de lítio diretamente em uma célula selada. Você tem que inferir isso de outros sinais. Uma abordagem é rastrear o potencial anódico versus referência de metal de lítio. Se o potencial anódico cair abaixo de 0V versus Li/Li⁺, está ocorrendo galvanização. O problema é que a maioria das células comerciais não possui eletrodos de referência.
O aumento da temperatura durante o carregamento rápido também é importante. Uma célula carregando a 2°C pode ver sua temperatura interna subir 15-20 graus acima da temperatura ambiente, mesmo com resfriamento ativo. Em temperaturas frias, isso é realmente útil-uma célula fria (digamos -10 graus) tem uma capacidade de energia muito baixa, mas se você puder aquecê-la carregando em taxas moderadas (0,5°C), o desempenho melhora. Alguns EVs fazem isso de propósito: em climas frios, eles executam um breve pulso de carga de alta corrente para aquecer a bateria antes que o motorista exija alta potência para aceleração.
O equilíbrio celular é necessário porque as células em série nunca permanecem perfeitamente combinadas. Tolerâncias de fabricação, pequenas diferenças nas taxas de auto{1}descarga e gradientes térmicos no conjunto causam desvios de tensão. Se você carregar uma sequência em série sem balanceamento, algumas células atingirão o limite superior de tensão antes de outras. As células fortes estão subcarregadas, as células fracas estão sobrecarregadas e o desempenho é prejudicado.
O balanceamento passivo usa resistores para liberar energia de células de-tensão mais alta. É simples e barato, mas desperdiça energia na forma de calor. O balanceamento ativo usa conversores CC-CC ou capacitores para transferir energia de células altas para células baixas. Mais eficiente, mais complexo, mais caro. Para um pacote EV de 400 V, o balanceamento passivo pode desperdiçar 50-100 W continuamente, o que é insignificante em comparação com a potência motriz, mas aumenta com o tempo.
Considerações sobre gerenciamento térmico
A geração de calor em uma célula de íon de lítio vem de três fontes: calor irreversível (aquecimento Joule da resistência interna), calor reversível (mudança de entropia da reação eletroquímica) e calor de reações secundárias. Em taxas C- baixas a moderadas, o calor reversível domina. Em altas taxas de C-, o calor irreversível assume o controle.
O termo de calor reversível é interessante porque muda de sinal dependendo do SOC. Para a maioria dos produtos químicos de íons de lítio, o carregamento gera calor em SOC baixo, mas absorve calor em SOC alto. A descarga faz o oposto. O ponto de cruzamento é normalmente em torno de 50-60% SOC. É por isso que você poderá ver a temperatura da célula cair durante a fase final do carregamento se a corrente for baixa o suficiente.
A resistência interna varia com a temperatura, SOC e envelhecimento. A 25 graus, uma célula 18650 nova pode ter uma resistência DC de 40-60 miliohms. A -20 graus, isso pode saltar para 200-300 miliohms. É por isso que a autonomia dos veículos elétricos em climas frios cai tão drasticamente. Não apenas a química é mais lenta em baixas temperaturas, mas o aumento da resistência interna significa que mais energia da bateria é desperdiçada na forma de calor dentro da célula.
O limite de fuga térmica depende da química. Para células NMC, as reações de decomposição exotérmica começam em torno de 180-220 graus. Uma vez iniciada, a temperatura pode subir de 10 a 50 graus por segundo, atingindo 800 graus ou mais. LFP é muito mais seguro; o início da fuga térmica é de 270 graus + e a temperatura máxima atingida é mais baixa.
A propagação entre células de um pacote é o perigo real. Se uma célula entrar em fuga térmica, ela aquecerá suas vizinhas. Se as células vizinhas também fogem depende da capacidade de resfriamento, do espaçamento das células e do isolamento. O teste de propagação UL 9540A simula isso forçando uma célula à fuga térmica e monitorando se as células adjacentes a seguem. Um bom design de pacote contém a falha em uma célula ou no máximo em um pequeno módulo.
As estratégias de resfriamento variam. O resfriamento do ar é mais simples-soprar ar sobre as células ou pacote. Funciona bem para aplicações de baixa densidade de potência, como PHEVs ou sistemas de armazenamento de energia. A refrigeração líquida é necessária para veículos elétricos-de alto desempenho. A maioria dos projetos usa uma mistura de água-glicol 50:50 a 10-25 litros por minuto através de placas frias ou canais de resfriamento. A temperatura de entrada é normalmente controlada em 20-35 graus. Os gradientes de temperatura da bateria devem permanecer abaixo de 5 graus, no máximo a mínimo, para evitar o envelhecimento acelerado das células mais quentes.
Alguns projetos experimentais usam resfriamento por refrigerante, resfriamento por imersão em fluido dielétrico ou materiais de{0}mudança de fase. O resfriamento do refrigerante pode extrair mais calor, mas requer um sistema AC mais complexo. O resfriamento por imersão tem excelentes coeficientes de transferência de calor (500-2.000 W/m²K versus 50-150 W/m²K para resfriamento indireto por líquido), mas a vedação e a compatibilidade de fluidos são desafios. Os PCMs funcionam passivamente, mas eventualmente precisam rejeitar o calor armazenado, portanto, ajudam principalmente no resfriamento transitório durante o carregamento rápido ou aceleração forte.
Degradação de desempenho e modos de falha
O desvanecimento da capacidade e o crescimento da impedância são os dois principais mecanismos de degradação. Eles são causados por vários processos físicos e químicos diferentes que acontecem simultaneamente.
No lado do ânodo, o crescimento do SEI consome lítio e eletrólito cicláveis, aumentando a resistência. A esfoliação do grafite pode ocorrer se a célula for carregada em baixas temperaturas-placas de lítio na superfície do grafite em vez de intercalar e, quando eventualmente intercalar, quebrará a estrutura do grafite. Muitas vezes isso é irreversível. A decomposição do ligante em temperaturas elevadas causa perda de contato elétrico entre as partículas.
A degradação do cátodo inclui a dissolução de metais de transição (especialmente manganês em LMO ou NMC contendo-manganês), mudanças estruturais decorrentes de repetidas inserções/extrações de lítio e reconstrução de superfície em cátodos com alto-níquel. Os metais de transição dissolvidos migram para o ânodo onde catalisam o crescimento do SEI, de modo que a degradação do cátodo acelera indiretamente a degradação do ânodo.
A decomposição de eletrólitos e a geração de gases são problemas maiores em altas tensões e altas temperaturas. Gases comuns incluem CO₂, CO e vários hidrocarbonetos provenientes da decomposição de carbonatos. Nas células da bolsa, você verá a bolsa inchar visivelmente. Em células cilíndricas ou prismáticas com invólucros rígidos, a pressão aumenta até que a ventilação de segurança se abra (normalmente entre 10 e 15 bar).
A perda do estoque de lítio é um importante mecanismo de desbotamento. Cada vez que o SEI cresce ou placas de lítio irreversivelmente no ânodo, um pouco de lítio é retirado do reservatório de lítio ciclável. Eventualmente você acaba e a capacidade cai.
Falhas repentinas podem ocorrer devido a curtos internos. A maioria dos curtos começa pequeno-uma minúscula partícula de metal perfura o separador ou um dendrito de lítio cresce. A posição vendida cria um ponto quente, que acelera a degradação localmente, o que piora a posição vendida, e você obtém um ciclo de feedback positivo. Às vezes, a célula se auto-se cura se o curto se derreter. Outras vezes, progride para fuga térmica.
Os testes de penetração de pregos (forçar um prego de aço através de uma célula carregada) são um teste de abuso padrão. As células LFP normalmente não entram em fuga térmica devido à penetração das unhas. As células NMC costumam fazer isso, embora projetos com melhores separadores e menor energia específica possam às vezes ser aprovados.
A Figura 5 representa a retenção da capacidade versus o número do ciclo para vários produtos químicos sob condições de ciclagem moderadas (carga/descarga 1C, 25 graus, 100% DOD).
Estado de Carga e Estimativa do Estado de Saúde
Você não pode medir diretamente quanta energia existe em uma célula de íon de lítio. Você tem que estimá-lo a partir de outras medidas: tensão, corrente e temperatura.
O método de estimativa SOC mais simples é baseado em-tensão. Cada química tem uma tensão de circuito aberto-característica versus curva SOC. Meça a tensão depois que a célula tiver descansado por um tempo (para permitir que quedas transitórias de tensão devido à queda da resistência interna), procure na curva OCV e você conhece o SOC. O problema é que raramente você tem tempo para a célula descansar em aplicações reais.
A contagem de Coulomb é a abordagem padrão. Você integra a corrente ao longo do tempo para rastrear a entrada e saída de carga. Se você começar com um SOC conhecido, poderá calcular o novo SOC a qualquer momento. A precisão depende do seu sensor atual (± 0,5% é típico) e do conhecimento da capacidade real. Os erros se acumulam com o tempo, então você precisa recalibrar periodicamente fazendo um ciclo completo de carga ou descarga.
Os métodos{0}}baseados em modelo usam um modelo de circuito equivalente ou um modelo eletroquímico da célula. Você mede a tensão e a corrente do terminal, analisa-as em seu modelo e extrai estados internos, incluindo SOC. Filtros de Kalman estendidos ou observadores de estado semelhantes são comuns. Essas abordagens podem ser muito precisas (±2% de erro SOC), mas requerem bons modelos e recursos computacionais significativos.
A estimativa de SOH é mais difícil porque você está tentando quantificar a degradação, que é lenta e gradual. O desvanecimento da capacidade e o crescimento da impedância não se correlacionam necessariamente linearmente entre si ou com a contagem de ciclos. Uma célula que foi carregada-muito rapidamente pode ter alta impedância, mas apenas perda moderada de capacidade. Uma célula que foi armazenada em alta temperatura/SOC pode ter um desvanecimento significativo da capacidade, mas um crescimento de impedância relativamente baixo.
A prática do setor é definir o SOH com base na capacidade: uma célula com 80% de sua capacidade original está com 80% de SOH, e isso geralmente é considerado o fim da-vida útil-para aplicações EV. O celular ainda funciona, mas o alcance caiu 20%. Para aplicações de armazenamento de energia, as células podem ser usadas com até 60-70% de SOH.
Alguns BMSs fazem verificações periódicas de capacidade-descarregam totalmente a bateria em uma taxa baixa e medem a quantidade de energia liberada. Isso é preciso, mas intrusivo (a bateria fica indisponível durante o teste) e leva horas. Outras abordagens tentam estimar a capacidade indiretamente a partir de curvas de tensão, medições de impedância ou eficiência coulombiana.
A resistência interna pode ser medida aplicando um pulso de corrente e medindo a resposta de tensão ou injetando um pequeno sinal CA em várias frequências (espectroscopia de impedância eletroquímica). O EIS fornece muito mais informações, mas requer hardware especializado que raramente está presente em BMSs comerciais.
Aplicações e reciclagem do Second{0}Life
Quando uma bateria EV chega ao fim da-vida útil-(normalmente 70-80% da capacidade original), ela ainda está perfeitamente funcional para aplicações menos exigentes. O uso de baterias de segunda vida está ganhando força para armazenamento estacionário de energia.
A economia é complicada. Você deve testar o pacote obsoleto, possivelmente refabricá-lo (substituir o BMS, o sistema de resfriamento ou módulos danificados), certificá-lo para a nova aplicação e fornecer uma garantia. Tudo isso custa dinheiro. Para que a segunda{3}}vida faça sentido, o pacote recondicionado precisa custar significativamente menos do que um novo pacote projetado para aplicação estacionária. Os custos são equilibrados se a reforma custar menos de 40-50% do custo do novo pacote, dependendo da análise em que você acredita.
Testar células desativadas não é-trivial. Um módulo pode conter centenas de células em série-paralelas. Você não pode testá-los individualmente facilmente. Você pode testar o módulo como uma unidade, mas uma célula defeituosa pode se mascarar. Alguns modos de degradação são difíceis de detectar sem testes destrutivos. Há também a questão da responsabilidade: se uma bateria de segunda{7}}vida pegar fogo, quem é o responsável?
A reciclagem é o caminho de{0}}fim-de vida. A reciclagem atual em grande-escala utiliza pirometalurgia (fundição) ou hidrometalurgia (lixiviação química). A pirometalurgia é mais simples, mas menos seletiva-você obtém ligas metálicas mistas que precisam de mais refinamento. A hidrometalurgia pode recuperar metais individuais com maior pureza, mas requer mais etapas e gera resíduos químicos.
A economia da reciclagem depende fortemente dos preços dos metais. O cobalto é valioso (cerca de US$ 30-40/kg historicamente, embora os preços oscilem enormemente), portanto, reciclar produtos químicos-ricos em cobalto é economicamente viável. Vale a pena reciclar o níquel em grande escala. Manganês, ferro e alumínio são metais-de baixo valor, portanto a reciclagem faz sentido principalmente para mantê-los fora dos aterros sanitários. O lítio é interessante – não é particularmente valioso por quilograma, mas as restrições de oferta tornam a recuperação atractiva.
A reciclagem direta-desmontando a bateria e reutilizando o material do cátodo ou do ânodo diretamente, sem quebrá-lo em sais metálicos-é uma área de pesquisa importante. Se você pudesse recuperar o pó catódico em uma forma utilizável, economizaria energia e custo da síntese catódica. Os desafios incluem separar o material ativo dos coletores e ligantes atuais e lidar com o fato de que o material reciclado é uma mistura de células de diferentes fabricantes, idades e produtos químicos.
